循環(huán)流化床鍋爐流動、傳熱和燃燒模型.pdf

1、高效、低污染地利用能源是可持續(xù)性發(fā)展的必然要求。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)正是由于其高效、低污染和煤種適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國的高度重視，已成為清潔煤燃燒技術(shù)的主導(dǎo)發(fā)展方向之一，在我國，特別是現(xiàn)階段，煤仍然是主要的一次能源，所以發(fā)展循環(huán)流化床燃燒技術(shù)對于節(jié)能和環(huán)保都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 為了保證循環(huán)流化床鍋爐的合理設(shè)計和優(yōu)化運(yùn)行，研究設(shè)計和操作參數(shù)對鍋爐的燃燒效率、穩(wěn)定性等方面的影響是十分重要的。試驗(yàn)的方法雖然必要，但是影響鍋爐運(yùn)行的變量

2、參數(shù)之多，使得不可能對每一種工況都進(jìn)行試驗(yàn)，而滿足一定精度要求的數(shù)學(xué)模型則是一種有效的替代手段，它可節(jié)省人力、物力，甚至可以彌補(bǔ)試驗(yàn)手段的不足之處，因此數(shù)學(xué)模擬又被形象地稱為“數(shù)值試驗(yàn)”。 本論文的主要目的是在理論研究和試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，發(fā)展循環(huán)流化床鍋爐整體數(shù)學(xué)模型，為循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計、優(yōu)化運(yùn)行提供可靠參數(shù)和信息指導(dǎo)。 首先，論文采用半經(jīng)驗(yàn)方法，建立了一個流動模型，以此來估算循環(huán)流化床鍋爐局部的固體顆粒體積份額分布

3、。該模型假設(shè)顆粒在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部呈現(xiàn)環(huán)核流動結(jié)構(gòu)，爐膛沿高度方向分為下部濃度較高的密相區(qū)、上部顆粒濃度較低的稀相區(qū)以及連接這兩個區(qū)的過渡區(qū)，論文中稱之為飛濺區(qū)。相對于催化裂化流化床而言，循環(huán)流化床鍋爐往往采用寬篩分顆粒，論文將整個寬篩分顆粒離散為若干組，模型考慮各組顆粒在燃燒過程中的破碎、磨損和縮合等化學(xué)、物理過程。模擬結(jié)果顯示靠近爐膛壁面附近的顆粒的平均直徑大于爐膛中心位置的顆粒的平均直徑；而沿著爐膛高度方向，顆粒的平均直徑逐漸減

4、小，特別是在由密相區(qū)向稀相區(qū)過渡的飛濺區(qū)，顆粒的平均直徑迅速減小，這些預(yù)測結(jié)果與參考文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。 其次，在流動模型的基礎(chǔ)上，論文發(fā)展了一個用來預(yù)測循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)床層與壁面輻射傳熱系數(shù)的三維模型。模型采用離散坐標(biāo)法求解輻射傳熱方程。由于爐膛內(nèi)存在著煤、焦碳、飛灰、沙子和石灰石等多種顆粒，論文采用Mie散射理論計算不同顆粒的吸收、散射系數(shù)等。論文引用文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，模型考慮了溫度場、

5、表觀氣體速度等對輻射傳熱系數(shù)的影響，同時也考慮了顆粒特性（包括顆粒直徑、寬篩分、顆粒分層、顆粒的光學(xué)系數(shù)和顆粒的混合等）對輻射傳熱系數(shù)的影響。模擬結(jié)果顯示：溫度場和表觀氣體速度對于稀相區(qū)床層與壁面之間的輻射傳熱系數(shù)有著重大的影響，而顆粒特性也對該系數(shù)有著不同程度的影響。 論文還討論了當(dāng)采用寬篩分燃料時，用Sauter平均直徑來計算輻射傳熱系數(shù)比較合適。 在流動模型的基礎(chǔ)上，本論文建立了以“顆粒團(tuán)更新理論”為基礎(chǔ)的對流傳熱

6、模型，并討論了模型所涉及的參數(shù)的確定方法。這樣，通過對流傳熱系數(shù)與輻射傳熱系數(shù)的疊加，整個循環(huán)流化床鍋爐床內(nèi)與壁面的傳熱過程即可進(jìn)行整體模擬。 再次，在循環(huán)流化床鍋爐流動、傳熱模型的基礎(chǔ)上，本論文建立了一個簡單的煤燃燒模型。模型考慮了揮發(fā)份的析出、燃燒和焦碳燃燒等模型。模型預(yù)測了揮發(fā)份中各氣體組分沿爐膛高度方向的濃度分布，還預(yù)測了燃燒后一些主要?dú)怏w沿爐膛高度方向的濃度分布。結(jié)果顯示，大部分揮發(fā)份在循環(huán)流化床鍋爐的下部區(qū)域析出并燃

7、燒，但仍然有小部分揮發(fā)份氣體在上部區(qū)域燃燒；對于整個燃燒份額而言，而下部區(qū)域只占燃燒量的50％左右，遠(yuǎn)小于鼓泡流化床鍋爐的80％；模型還分析了寬篩分燃料的揮發(fā)份在爐膛內(nèi)燃燒的規(guī)律。 最后，對全文的研究內(nèi)容和結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，指出用離散坐標(biāo)法來求解輻射傳熱方程，同時用Mie 理論來考慮循環(huán)流化床鍋爐中各種輻射傳熱介質(zhì)的吸收和散射系數(shù)，這樣計算的輻射傳熱系數(shù)的精度將大大提高。而當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐采用寬篩分燃料時，將導(dǎo)致明顯的軸向和徑向的